（动力工程及工程热物理专业论文）聚光型太阳能电热联用系统性能的数值模拟.pdf

numerical simulation of hybrid photovoltaic/thermal solar energy system a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by yu songqiang supervisor: associate prof. wenzhi cui major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china april 2008 中文摘要 i 摘 要 太阳能电热联用(pv/t)系统，把光伏组件与太阳能集热器组合在一起，同时提 供电能和热能，提高了太阳能的总利用效率。与分离的光伏系统和集热系统相比， 太阳能电热联用装置可以共用一些组件、降低系统成本、减少安装面积、而且仅 有一种组件在外观上是可见的，有利于建筑美观，更加有效的利用了太阳能。迄 今为止，对pv/t联用系统的研究集中在集热器上，主要是管板式和流道式集热器， 而流道式集热器又以单流程直通道为主，对于多流程流道式集热器以及自然循环 水系统的研究开展的较少。 本文首先建立多流程蛇形流道式集热器的三维稳态模型，模拟聚光比、操作 参数以及外部条件变化对集热器性能的影响。得出以下结论： 集热器流体的出口温度随冷却流体质量通量的增加而减小，热电效率随质 量通量的增加而增大，电池板表面的温度梯度随质量通量的增加而减小，流动阻 力随质量通量的增加而增加。对于本文蛇形流道式集热器来说，冷却流体质量通 量m=40kg/m2 s为最优值，它既能保证集热器的热效率和电效率在较高的范围，又 能使流动阻力损失保持在较低水平； 采用聚光方法会使电效率下降，热效率上升，能量利用总效率略有降低， 但聚光方法在增加少许成本的基础上能大幅度提高系统总产出； 环境风速的增加会显著降低集热器的热效率，对其电效率影响甚微；加盖 玻璃盖板能提高集热器出口水温和热效率，对电效率的影响很小。 然后，建立了电热联用自然循环水系统二维动态模型，模拟了晴天和多云两 种天气条件下，系统性能随太阳辐射强度的变化情况。结果发现： 输出电功随太阳日辐射量的变化而变化，辐射增强，输出电功增加，辐射 减弱，输出电功减少。系统水温则随着日太阳辐射量的增加而升高。系统的热电 效率都随日太阳辐射量的增加而下降； 水温和输出电功的年变化趋势与太阳辐射强度的变化趋势相同；电效率的 年变化趋势与辐射强度的年变化趋势相反，年均值在10%以上；热效率受辐射强度 和辐射分布情况的共同影响，年均值在40%以上； 晴天条件下，系统日电产出大于 464.4wh/m2。一年中有 6 个月，水箱的水 温在 50以上，基本达到生活用热水温度； 多云情况下，太阳辐射瞬时变化较大，系统的输出电功也随之波动，但水 温和热电效率的瞬时变化不明显。 最后，根据pv/t集热器和自然循环水系统的模拟结果，提出户用型pv/t联用 重庆大学硕士学位论文 ii 系统设计方法，结合用户热电需求，设计一套pv/t联用系统，并对其性能进行了 评价。 关键词：太阳能，电热联用系统，数值模拟，集热器 英文摘要 iii abstract hybrid photovoltaic/thermal (pv/t) solar energy system, combining solar cell module with thermal solar collector, can simultaneously provide electricity and heat and raise the total solar energy utilization efficiency. compared with separate photovoltaic solar system or thermal solar collecting system, hybrid photovoltaic/thermal solar energy system can share some components, decrease system cost, and reduce installation area. moreover, in such kind of equipment, there is only one component in appearance visible, which makes the building much beautiful and more effective in solar energy utilization. so far, the research on hybrid pv/t system concentrates into the thermal collectors, which are mainly tube-plate type and flow-channel type. moreover, most of flow-channel type collectors are straight channel, few of collector is multiple serpentine flow-channels. in this paper, a three-dimensional steady model of solar collector with multiple serpentine flow-channels used for pv/t system is presented. numerical calculation is conducted to simulate the characteristics of the collector considering the variations of solar radiation intensity, operating parameters and the external conditions. to understand the dynamic performance of the output of the pv/t system, a two-dimensional dynamic model of the water subsystem of the pv/t system is also established here. the simulating results give out the characteristics of system output and electric and thermal efficiencies with the variation of solar daily or annual radiation and climate conditions. some critical conclusions are listed below. the fluid temperature at the outlet of collector decreases with the increase of coolant mass flux, while electrical and thermal efficiency increase with the mass flux. temperature gradient on the solar cell surface decreases with the increase of the mass flux. for the serpentine flow-channel type collector, the optimum value of mass flux is 40 kg/m2, with higher electrical and thermal efficiencies and lower pressure drop in the flow channels. adding solar concentrator to hybrid pv/t collector will decrease the electrical efficiency, rise thermal efficiency, and reduce total efficiency. however, the concentrator significantly improves the system output with slight cost increase. the increase of surrounding wind velocity will obviously decrease thermal efficiency, with little impact on the electrical efficiency. adding glass cover can improve fluid 重庆大学硕士学位论文 iv temperature and thermal efficiency, but has little influence on the electrical efficiency. output power changes along with the change of solar radiation intensity. the higher the solar radiation, the higher the output power, and vice versa. water temperature rises along with the increase of daily radiation intensity. electrical and thermal efficiencies of system decline along with the increase of daily radiation intensity. annual variation of the water temperature and output power is the same as the annual variation tendency of solar radiation intensity. in hazy day, the fluctuation of systems output power is obvious. however, the instantaneous changes of the water temperature and output power are not obvious. finally, according to simulation results of pv/t collector and natural-circulation water system, a design method of household hybrid pv/t system is proposed. the new designed pv/t system can satisfy both the thermal and electrical requirement of the residential user. and the system performance is also analyzed. keyword: solar energy, pv/t, numerical simulation, collector 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 主要符号表主要符号表 . ix 1 绪论绪论 . 1 1.1 引言引言 . 1 1.2 太阳能发电技术太阳能发电技术 . 2 1.2.1 太阳能电池材料 . 2 1.2.2 太阳能光伏系统分类 . 4 1.3 太阳能光电转换原理太阳能光电转换原理 . 4 1.3.1 半导体材料性质 . 4 1.3.2 p-n 结的形成和热平衡状态 . 6 1.3.3 p-n 结的光生伏特效应 . 7 1.3.4 太阳电池的光伏特性 . 8 1.3.5 温度对太阳电池转化效率的影响 . 10 1.4 太阳能电热联用系统的研究现状太阳能电热联用系统的研究现状 . 10 1.4.1 pv/t 集热器数值研究现状 . 11 1.4.2 pv/t 集热器实验研究现状 . 14 1.4.3 太阳能聚光器 . 16 1.4.4 电热联用系统研究中的问题 . 18 1.5 本课题的研究内容及目标本课题的研究内容及目标 . 19 2 电热联用集热器性能分析电热联用集热器性能分析 . 21 2.1 概述概述 . 21 2.2 集热器的结构集热器的结构 . 21 2.3 物理模型物理模型 . 23 2.4 控制方程控制方程 . 25 2.5 数值计算方法数值计算方法 . 27 2.5.1 网格划分和无关性检验 . 27 2.5.2 自定义光电转换过程 . 29 2.5.3 求解控制 . 29 2.5.4 收敛判定 . 30 2.6 结果分析结果分析 . 30 重庆大学硕士学位论文 vi 2.6.1 质量通量 . 30 2.6.2 蛇形通道内的流动和阻力性能 . 33 2.6.3 聚光比 . 35 2.6.4 环境风速 . 36 2.6.5 玻璃盖板 . 37 2.7 本章小结本章小结 . 39 3 自然循环水系统动态性能分析自然循环水系统动态性能分析 . 41 3.1 概述概述 . 41 3.2 系统的结构及原理系统的结构及原理. 41 3.3 数学模型数学模型 . 42 3.4 数值计算方法数值计算方法. 43 3.4.1 网格划分与无关性检验 . 43 3.4.2 自定义函数 . 44 3.4.3 求解控制 . 44 3.5 晴天情况下系统的性能晴天情况下系统的性能. 44 3.5.1 日太阳辐射变化对系统性能的影响 . 45 3.5.2 年太阳辐射变化对系统性能的影响 . 50 3.5.3 系统的温度和速度分布 . 51 3.6 多云天气情况下系统的性能多云天气情况下系统的性能. 53 3.6.1 日太阳辐射对系统性能的影响 . 53 3.6.2 年太阳辐射对系统性能的影响 . 55 3.7 本章小结本章小结 . 57 4 户用型电热联用系统设计户用型电热联用系统设计 . 59 4.1 概述概述 . 59 4.2 系统设计方法系统设计方法. 59 4.2.1 系统设计原则 . 59 4.2.2 系统设计步骤及要确定的参数 . 60 4.3 设计实例设计实例 . 61 4.3.1 确定 pv/t 集热器倾角 . 61 4.3.2 计算 pv/t 集热器面积 . 61 4.3.3 蓄电池容量的选择 . 61 4.3.4 确定水箱容积 . 62 4.4 系统性能评价系统性能评价. 62 5 结论及后续工作建议结论及后续工作建议 . 65 目 录 vii 5.1 结论结论 . 65 5.2 后续工作建议后续工作建议 . 66 致致 谢谢 . 67 参考文献参考文献 . 69 附附 录录 . 73 附录附录 a 作者在攻读硕士学位期间发表论文情况：作者在攻读硕士学位期间发表论文情况： . 73 附录附录 b 自定义函数自定义函数 1 . 73 附录附录 c 自定义函数自定义函数 2 . 74 重庆大学硕士学位论文 viii 主要符号表 ix 主要符号表 c 比热容，j/(kg k)；光速，m/s c 聚光比 e 电能，w g 太阳辐射强度，w/m2 g 重力加速度，m/s2 h 对流换热系数，w/(m2 k) h 高度，m i 电流，a k 水质量与集热面积比值，kg/m2 l 电池板长度，m m 质量，kg m 质量通量，kg/(m2 s) p 功率，w p 压力，pa q 电池容量，ah r 热阻，k/w s 面积，m2 t 温度，k u 流速，m/s v 电压，v；体积，m3 v 频率，hz w 宽度，m；电量，j ff 填充因子 nu 努赛尔数 pr 普朗特数 re 雷诺数 希腊字母 吸收率；放电深度 效率 粘性系数，kg/(m s) 波尔兹曼常数，j/k 导热系数，w/(m k)；波长，m 透射率；时间，h 电池板倾角 气体膨胀系数，k-1 动力粘度，m2/s 单位面积电产量，wh/m2 密度，kg/m3 脚标 a 保温层 air 空气 am 环境 b 粘结剂 c 电池板 char 充电 conv 对流 down 下边界 e 关于电的 g 玻璃 in 入口 max 最大值 min 最小值 n 逆变 p 管道 t 关于热的 te 热电综合 up 上边界 w 水 out 出口 重庆大学硕士学位论文 x 1 绪论 1 1 绪论 1.1 引言 能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物资基础。保持能源的可持 续供应是保障国家社会和经济稳定、协调和可持续发展的基础条件。我国人口众 多，化石能源的人均占有量不足世界平均水平的 1/10。目前的能源结构中，煤炭 比例过大，电力结构中煤电比例过大，给环境和资源造成沉重压力。据 2004 年 12 月召开的“第二届石油和化学工业发展国际论坛”的消息，目前中国能源消费总 量已超过 14 亿吨标准煤，成为继美国之后的第二大能源消费大国1, 2。 长远来看，能源资源及其供应能力将对我国能源系统的可持续性构成严重威 胁。因此寻找替代能源就显得十分迫切。 可再生能源是解决当前能源问题的最有希望的途径。在水电、风力发电、生 物质发电和太阳能发电这几种可再生能源中，其可开采量有巨大差异。世界上潜 在水能资源4.6tw可经济开采资源只有0.9tw，风能实际可开发资源2tw，生物质 能3tw。只有太阳能是唯一能够保证人类能源需求的能量来源，其潜在资源 120000tw，实际可开采资源高达6000tw3。就可开采量而言，太阳能无疑是最有 前途的能源。 我国太阳能资源按日照时数和辐射量的大小，全国大致可以分为五类地区： 一类地区，全年日照时数达到3200-3300小时；二类地区，全年日照时数达到 3000-3200小时；三类地区，全年日照时数达到2200-3000小时；四类地区，全年日 照时数达到1400-2200小时；五类地区，全年日照时数达到1000-1400小时。全国三 分之二的国土面积年日照在2200小时以上，年太阳辐射量超过5000mj/m2(相当于 170kg标准煤/m2)4。 在太阳能利用中，将太阳能直接转换为电能的光伏发电技术已经成熟，近年 来呈现加速发展势头。最近10年，太阳电池、组件生产的年平均增长率达到33%， 最近5年的年平均增长率达到43，2004年比上年增长61.2%，成为当今发展最迅 速的高新技术产业之一5。 按照这样的发展势头， 正在努力突破高成本的制约瓶颈， 有望在30年左右的时段内成为重要的电力能源之一。 目前,光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国,其光伏发电量约占世界光伏发电 量的 80%。而日本、欧盟和美国也是光伏发电发展最快的几个国家和组织。 我国从1958年开始研制光伏电池，1971年用于人造卫星，1973年开始地面应 用。80年代引进7条生产线，初步建立了自己的光伏产业6。进入21世纪以来，光 伏工业发展迅速。20世纪90年代以来是我国光伏发电快速发展的时期。在这一时 重庆大学硕士学位论文 2 期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐 年增加，2004年累计装机容量达35mw，约占世界份额的3%。 光伏产业的发展带来太阳能电热联用（photovoltaic/thermal, pv/t）系统研究 的热潮。电热联用系统把太阳能电池组件和太阳能集热器结合起来，形成既产生 电能又产生热能的联用系统，它同时将太阳能转化为电能和热能，可以提高太阳 能的总利用效率。近几年来，对太阳能电热联用技术的研究非常活跃，涉及的文 献、报告、会议以及专利等急剧增加。 1.2 太阳能发电技术 1954年美国贝尔实验室研制了世界上第一块实用半导体太阳能电池，不久后 用于人造卫星。硅太阳电池于1958年首先在航天器上得到应用。在随后10多年里， 空间应用不断扩大，工艺不断改进。20世纪70年代初，硅太阳电池开始在地面应 用，到70年代末地面用太阳电池产量已经超过空间电池产量，并促使成本不断降 低，80年代初，硅太阳电池进入快速发展阶段，开发的电池效率大幅度提高，商 业化生产成本进一步降低，应用不断扩大7。 1.2.1 太阳能电池材料 光伏电池的制作材料几乎涉及所有半导体材料，包括单晶硅、多晶硅、非晶 硅、微晶硅、化合物半导体和有机半导体等。 到目前为止，太阳能光电工业基本是建立在硅材料的基础之上。世界上绝大 部分的太阳能光电器件是用晶体硅制造的，其中单晶硅太阳电池是最早被研究和 应用的，至今它仍是太阳电池的主要材料之一。单晶硅又分为区容硅和直拉硅两 种，其晶体的生长方式不同，由于价格和机械强度等原因，在太阳电池工业中主 要应用直拉单晶硅。单晶硅的晶体非常完整，材料纯度很高，资源也很丰富，其 禁带宽度为1.12ev，是制备太阳能电池的理想材料。最近，在实验室中，单晶硅太 阳电池的转换效率已达到24.7%8。在实际生产线中，高效太阳电池的转换效率已 经超过20%。对于常规的地面用商业直拉单晶硅电池，其转换效率一般可达 13%-16%，期望在不久的将来能接近17%-20%。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以 及防水树脂进行封装，坚固耐用，使用寿命一般可达15年9。 自 20 世纪 70 年代铸造多晶硅发明和应用以来，80 年代末期它仅占太阳电池 材料的 10%左右，在 90 年代得到迅速的发展，1996 年底已占整个太阳电池材料的 36%左右，2001 年更是接近 50%。它以相对低成本、高效率的优势不断挤占单晶 硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池材料。在实验室中多晶硅电池的光电转换 效率达到 19.8%；在商业生产中，其光电转换效率约 12%左右，稍低于单晶硅太阳 电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的成本较低，因此得到大量发展。 1 绪论 3 非晶硅太阳电池是 1976 年出现的新型薄膜式太阳电池，通常是在玻璃上沉积 一层很薄的非晶硅。它的主要优点是制备工艺简单，硅材料消耗少，电耗低，可 大面积连续生产，在弱光条件也能发电，而且可方便地设计成各种结构，易与电 子器件集成。已经在计算机、手表、玩具等小功耗器件中得到了广泛应用。但是， 非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，在实验室得到的效率也只 有 13%左右10，实际生产中，目前国际先进水平为 10%左右。而且，在太阳光长 时间照射下有严重的衰减，阻碍了其应用，到目前为止仍然没有从根本上解决。 不同于非晶硅太阳电池，具有晶体性质的多晶硅薄膜材料没有转换效率衰减 的问题。它直接制备在玻璃、不锈钢等低廉的衬底上，既有晶体硅晶格完整的优 点，又有非晶硅成本低廉、制备方便的优点。但是，由于晶粒过于细小等原因， 多晶硅薄膜太阳电池的转换效率还是很低，仅有 10%左右。只有少量的实验生产 线，还未达到实际大规模产业化的水平。 尽管硅材料有各种问题，但仍然是目前太阳电池的主要材料，约占国际太阳 电池材料市场的 99%以上。表 1.1 给出了国内外高效晶体硅太阳电池比较。 表1.1 国内外高效晶体硅太阳电池比较11 table1.1 comparison of high efficiency crystalline silicon cell 种类 面 积 (cm) 电池结构 效率 研究机构 单 晶 硅 - 倒金字塔结构、双层减反射膜 23.0% 德国fraunhofer太阳能研究所 - 钝化发射极和背面局域化 24.7% 澳大利亚新南威尔士大学 2 2 倒金字塔、发射区钝化、背场 19.8% 北京太阳能研究所 5 5 激光刻槽埋栅 18.6% 北京太阳能研究所 - 磷吸杂、双层减反射膜 18.6% geogia工大光伏中心 多 晶 硅 - perl技术 19.8% 澳大利亚新南威尔士大学 15 1pecvd-sin技术 17.1% 日本kysera公司 - - 14.5% 北京太阳能研究所 在硅材料太阳电池发展的同时，一系列化合物半导体太阳电池发